DE19513565C1

DE19513565C1 - Treatment of waste water by nitrification and denitrification

Info

Publication number: DE19513565C1
Application number: DE1995113565
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof Dr Bock
Original assignee: NITRA BIOTECHNIK; Robio Biolog GmbH
Current assignee: NITRA BIOTECHNIK; Robio Biolog GmbH
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2015-04-19

Abstract

In the treatment of waste water, involving nitrification and denitrification: (a) ammonium is withdrawn from the water by dialysis and fed to a separate nitrification cycle, (b) the ammonium withdrawn from the waste water is converted to nitrite in the nitrification, opt. with formation of nitrate and N2 and (c) the nitrite or nitrate formed in the waste water is recycled in such a way that it is reduced to molecular nitrogen on transfer to the nitrification cycle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Ab wasser unter Anwendung der Nitrifikation und Denitrifikation sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for the treatment of Ab water using nitrification and denitrification and an apparatus for performing the method.

Zur Abwasserbehandlung werden bevorzugt biologische Verfahren eingesetzt, bei denen die Nitrifikation und Denitrifikation von Bedeutung sind. Durch die Koppelung der aeroben Nitrifi kation mit der anaeroben Denitrifikation ergeben sich jedoch erhebliche Probleme bei der Prozeßführung. Um eine räumliche und zeitliche Trennung von aeroben und anaeroben Prozessen zu gewährleisten, sind daher aufwendige Verfahren erforderlich, die immer mit einer Verminderung der theoretisch möglichen Abbauleistung verbunden sind. Durch die starke Temperatursen sitivität der Nitrifikanten kommen noch Leistungseinbrüche in den Wintermonaten hinzu. Darüber hinaus sind die nitrifizie renden Bakterien auf anorganische Substrate angewiesen und können durch eine erhöhte Fracht organischer Substanzen ge hemmt werden, während die Denitrifikanten organische Substrate benötigen, um Nitrit und Nitrat zu reduzieren.Biological processes are preferred for waste water treatment used in which the nitrification and denitrification are important. By coupling the aerobic nitrifi cation with anaerobic denitrification, however, result significant litigation problems. To a spatial and temporal separation of aerobic and anaerobic processes complex processes are therefore necessary that always with a reduction of the theoretically possible Degradation performance are connected. By the strong Temperatursen Sitivity of the nitrificants still declines in performance to the winter months. In addition, the nitrification bacteria depend on inorganic substrates and can be caused by an increased load of organic substances be inhibited while the denitrifiers are organic Need substrates to reduce nitrite and nitrate.

Ein Verfahren zur biologischen Reinigung von mit organischen Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindungen verunrei nigtem Abwasser ist in DE-C1 42 37 716 beschrieben. Bei die sem Verfahren werden organische Kohlenstoffverbindungen an oberflächenaktive Adsorptionsmittel gebunden, um auf diese Weise optimale Milieubedingungen sowohl für die Nitrifikanten als auch für die Denitrifikanten zu schaffen. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß zusätzliche Ad sorptionsmittel eingesetzt werden müssen, die die Kosten des gesamten Reinigungsverfahrens erhöhen.A process for the biological purification of organic Carbon compounds and nitrogen compounds are not clear nigt sewage is described in DE-C1 42 37 716. At the This process uses organic carbon compounds Surfactant adsorbent bound to this Optimal milieu conditions for both the nitrificants as well as for the denitrifiers. The disadvantage However, this procedure is that additional ad sorbent must be used, the cost of increase the entire cleaning process.

Aus DE-A1 38 33 185 ist ebenfalls ein Verfahren zur biologi schen Abwasserreinigung bekannt, bei dem unter Ausnutzung von Sorptionseigenschaften des Belebtschlamms ein Großteil der im Abwasser enthaltenen organischen Kohlenstoffverbindungen un ter anaeroben Bedingungen aus dem Abwasser eliminiert wird. Häufig ist jedoch die Sorptionseigenschaft des eingesetzten Schlammes nur unzureichend, so daß im Grunde keine befriedi gende Trennung möglich ist.From DE-A1 38 33 185 is also a method for biological known wastewater treatment, in which taking advantage of Sorption properties of the activated sludge a large part of the Waste water contains organic carbon compounds ter anaerobic conditions is eliminated from the wastewater. Often, however, is the sorption property of the used Sludge insufficient, so that basically no satisfactory separation is possible.

Ein Abwasserreinigungsverfahren mit selektiver Entmischung des Abwassers ist schließlich in DE-A1 39 25 091 beschrieben, wobei der in dem Abwasser organisch gebundene Kohlenstoff un ter anaeroben Bedingungen zunächst vermindert wird, während eine abgetrennte Lösung separat mittels einer zweiten, chemo lithotrophen Biozönose nitrifiziert wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß in der anaeroben Phase der Phos phatgehalt stark ansteigt.A wastewater treatment process with selective segregation the wastewater is finally described in DE-A1 39 25 091, the carbon bound organically in the waste water un ter anaerobic conditions is initially decreased while a separated solution separately by means of a second, chemo lithotrophic biocenosis is nitrified. This method has the disadvantage, however, that in the anaerobic phase the Phos phate content increases sharply.

Um die bekannten Probleme bei der Abwasserbehandlung zu ver meiden, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver fahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das die Anwen dung der Nitrifikation und Denitrifikation bei der Behandlung von Abwasser prozeßtechnisch begünstigt.To ver the known problems in wastewater treatment avoid, it is an object of the present invention, a Ver drive and provide a device that the user nitrification and denitrification during treatment Process technology favored by wastewater.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß manAccording to the invention, the object is achieved in that that he

a) the waste water to be treated ammonium by dialysis withdrawn and a separate nitrification circuit feeds
b) ammonium extracted from the waste water by means of nitrifi cation converts to nitrite and optionally nitrate and Creates nitrogen and
c) the nitrite or nitrate formed in the waste water attributes this to the transition from nitrifica cycle into the wastewater to form molecular nitrogen Fabric is reduced.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens weist eine Dialysevorrichtung auf, über die das Ammo nium dem Abwasser entzogen und dem Nitrifikationskreislauf zugeführt wird, wobei die Dialysevorrichtung mit einem Reak tor verbunden ist, in dem die Umsetzung des Ammoniums er folgt.A device for performing the Ver fahrens has a dialysis device, via which the Ammo nium removed from the wastewater and the nitrification cycle is supplied, the dialysis machine with a reak Tor is connected in which the implementation of ammonium he follows.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Reaktor als Festbettreaktor ausgebildet und weist am Ablauf eine Rückhaltevorrichtung für Mikroorganismen auf, von der die Mikroorganismen wieder in den Festbettreaktor rückführbar sind. Eine solche Rückhaltevorrichtung sorgt für ausreichende Zelldichten bei der Nitrifikation, so daß im Festbettreaktor ausreichende Nitrifikationsraten erzielbar sind.According to a preferred embodiment of the invention Reactor designed as a fixed bed reactor and has on the outlet a retention device for microorganisms, from which the microorganisms can be returned to the fixed bed reactor are. Such a retention device ensures sufficient Cell densities during nitrification, so that in the fixed bed reactor sufficient nitrification rates can be achieved.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist als Rückhaltevorrichtunng ein Hohlfasermembranfilter vorgesehen, durch das sich die Mikroorganismen und insbesondere die Ni trifikanten gut abtrennen lassen.According to a special embodiment of the invention is as Retaining device provided a hollow fiber membrane filter through which the microorganisms and especially the Ni have the trificants well separated.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Ni trifikationskreislauf einen Bypass auf, wodurch es möglich ist, den Festbettreaktor getrennt von der Dialysevorrichtung zu reinigen. According to a further embodiment of the invention, the Ni bypass circuit, which makes it possible is, the fixed bed reactor separate from the dialysis machine to clean.

Als Dialysevorrichtung wird bevorzugt ein Tangential-Durch fluß-Filtrations-Modul mit Ultrafiltrationsmembranen auf Po lysulfonbasis eingesetzt.A tangential through is preferred as the dialysis device river filtration module with ultrafiltration membranes on bottom lysulfone base used.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu dessen Durchführung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus führungsbeispiels näher erläutert.The method according to the invention and the device for the same Implementation is based on a preferred Aus management example explained in more detail.

Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Dialysevorrichtung 2, die in das zu behandelnde Abwasser 10 eingebracht ist. Eine Pumpe 14 kann zur Förderung des zufließenden Abwassers 10 vorgesehen sein. Als Dialysevorrichtung 2 eignen sich im Grunde alle zur Dia lyse dienenden Einrichtungen, die einen Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Austausch zwischen dem Abwasser und dem Nitrifika tionskreislauf ermöglichen. So können handelsübliche Tangen tial-Durchfluß-Filtrations-Module mit Ultrafiltrationsmembra nen z. B. auf Polysulfonbasis verwendet werden. Die Dialyse vorrichtung 2 muß für Ionen permeabel sein und nach Möglich keit einen schnellen Übertritt des Ammoniums zulassen. Hier bei kann es vorteilhaft sein, evtl. hemmend wirkende, organi sche Moleküle zurückzuhalten, die die Nitrifikation beein trächtigen. Die für die Dialysevorrichtung 2 verwendeten Mem branen sollten nach Möglichkeit auf ihrer dem Abwasser Zuge wandten Außenseite eine gute Anheftungsmöglichkeit für Mikro organismen bieten, während auf der dem Abwasser abgewandten Seite eine Biofilmbildung eher unerwünscht ist. Die Porigkeit der Membranen sollte allerdings so gewählt sein, daß keine Mikroorganismen durchdringen können.The drawing shows a device 1 for carrying out the method according to the invention with a dialysis device 2 which is introduced into the waste water 10 to be treated. A pump 14 can be provided to convey the inflowing waste water 10 . As a dialysis machine 2 are basically all devices used for dialysis that allow an ammonium, nitrite and nitrate exchange between the waste water and the nitrification circuit. So commercial Tangen tial flow filtration modules with Ultrafiltrationsmembra NEN z. B. can be used based on polysulfone. The dialysis device 2 must be permeable to ions and, if possible, allow a rapid transfer of ammonium. In this case, it may be advantageous to retain organic molecules which may have an inhibitory effect and impair nitrification. Should the membranes Mem used for dialysis device 2 as far as possible on their part to the waste water towards the outside give organisms a good Anheftungsmöglichkeit for Micro, while on the opposite side of the sewage biofilm formation is rather undesirable. The porosity of the membranes should, however, be chosen so that no microorganisms can penetrate.

Im Abwasserstrom entscheidet die Diffusionsrate für das zu entfernende Ammonium über die Anordnung der Membranen der Dialysevorrichtung 2. Eine zum Abwasserstrom parallele Anord nung der Membranen hat Vorteile in bezug auf den sich hier durch verringernden Strömungswiderstand. In the wastewater stream, the diffusion rate for the ammonium to be removed decides on the arrangement of the membranes of the dialysis machine 2 . An arrangement of the membranes parallel to the wastewater flow has advantages in relation to the flow resistance which is reduced here.

Das Ammonium tritt über die Dialysevorrichtung 2 in den Ni trifikationskreislauf 3 ein und wird z. B. über eine Pumpe 11 in den Reaktor 4 gefördert. Der Reaktor 4 ist vorzugsweise als Festbettreaktor ausgebildet. Je nach gewünschten Prozeß bedingungen kann der Reaktor 4 aber auch ein Fließbettreaktor sein, sofern sich hierdurch bessere Umsatzraten in bezug auf die eingesetzten Mikroorganismen erzielen lassen.The ammonium occurs through the dialysis machine 2 in the Ni trification circuit 3 and is z. B. conveyed via a pump 11 into the reactor 4 . The reactor 4 is preferably designed as a fixed bed reactor. Depending on the desired process conditions, the reactor 4 can also be a fluidized bed reactor, provided that better conversion rates can be achieved in relation to the microorganisms used.

Zur Erhöhung der Zelldichte im Reaktor 4 hat es sich bewährt, am Ablauf 5 eine Rückhaltevorrichtung 6 für Mikroorganismen vorzusehen. Über diese Rückhaltevorrichtung 6 werden die im Nitrifikationsprozeß benötigen Mikroorganismen abgeschieden und wieder in den Reaktor 4 über die Leitung 12 mittels einer Pumpe 13 zurückgeführt.To increase the cell density in the reactor 4 , it has proven useful to provide a retention device 6 for microorganisms at the outlet 5 . The microorganisms required in the nitrification process are separated off via this retention device 6 and returned to the reactor 4 via the line 12 by means of a pump 13 .

Um eine Verschleimung im Inneren der Dialysevorrichtung 2 zu vermeiden, ist ein Bypass 7 vorgesehen, der es ermöglicht, den Festbettreaktor aus dem Kreislauf auszuschließen und die sen beispielsweise mit hydrolysierenden oder verseifenden Chemikalien, wie z. B. Natronlauge zu spülen. Der Bypass 7 verbindet vorzugsweise die Leitungen 8 und 9.In order to avoid mucilage in the interior of the dialysis machine 2 , a bypass 7 is provided, which makes it possible to exclude the fixed bed reactor from the circuit and the sen for example with hydrolyzing or saponifying chemicals, such as. B. rinse sodium hydroxide solution. The bypass 7 preferably connects the lines 8 and 9 .

Wird das dem zu behandelnden Abwasser entzogene Ammonium dem Nitrifikationskreislauf zugeführt, erfolgt im Nitrifikations kreislauf und vorzugsweise im Reaktor 4 die Umsetzung zu Ni trit. Hierbei wird nach Möglichkeit die Sauerstoffzufuhr auf das für die Nitrifikation im Reaktor 4 notwendige Maß be schränkt. Es hat sich auch gezeigt, daß sich im Reaktor 4 eine Nitrifikantenpopulation einstellen kann, die das einge leitete Ammonium nicht vollständig zu Nitrit, sondern unter aeroben Bedingungen auch zu N₂ umsetzen kann. Diese Umsetzung hat den Vorteil, daß bereits im ersten Schritt der Nitrifika tion ein Stickstoffverlust eintritt, der das Gesamtverfahren bilanzmäßig begünstigt. Wenngleich aus energetischen Gründen für die Stickstoffelimination eine Oxidation zu Nitrat nicht unbedingt wünschenswert ist, kann im Reaktor 4 aber auch die Nitrifikation vollständig ablaufen.If the ammonium extracted from the wastewater to be treated is fed to the nitrification circuit, the conversion to nitrite takes place in the nitrification circuit and preferably in the reactor 4 . If possible, the oxygen supply is limited to the extent necessary for the nitrification in the reactor 4 . It has also been shown that a nitrificante population can set up in the reactor 4 , which cannot convert the ammonium introduced into nitrite completely, but also under aerobic conditions to N₂. This implementation has the advantage that a nitrogen loss occurs in the first step of nitrification, which favors the overall process in terms of balance. Although oxidation to nitrate is not absolutely desirable for energetic reasons for nitrogen removal, the nitrification can also take place completely in reactor 4 .

Über die Leitung 8 werden schließlich die Reaktionsprodukte Nitrit bzw. Nitrat zur Dialysevorrichtung 2 zurückgeführt. Der sich in bezug auf diese Stoffe in der Dialysevorrichtung 2 einstellende Diffusionsgradient sorgt nunmehr dafür, daß Nitrit bzw. Nitrat den Nitrifikationskreislauf wieder in Richtung des zu behandelnden Abwassers verläßt. Bei diesem Übergang findet eine weitere Umsetzung statt, so daß das Ni trit bzw. Nitrat zu molekularem Stickstoff reduziert wird. Dieses wird dadurch möglich, daß auf der dem Abwasser zuge wandten Seite der Dialysevorrichtung 2 ein Biofilm entsteht, der für die entsprechende Umsetzung sorgt. Insofern sollte der Sauerstoffgehalt im Biofilm bzw. in dem umgebenden Abwas ser so gering sein, daß dort eine Denitrifikation möglich ist.Finally, the reaction products nitrite or nitrate are returned to the dialysis device 2 via line 8 . The diffusion gradient that occurs in the dialysis machine 2 with regard to these substances now ensures that nitrite or nitrate leaves the nitrification circuit again in the direction of the waste water to be treated. In this transition, a further reaction takes place, so that the Ni trite or nitrate is reduced to molecular nitrogen. This is possible because a biofilm is formed on the side of the dialysis machine 2 facing the waste water, which ensures the appropriate implementation. In this respect, the oxygen content in the biofilm or in the surrounding waste water should be so low that denitrification is possible there.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur Be handlung von Abwasser, sondern allgemein zur Wasserreinigung, insbesondere auch für einen Einsatz in der Aquaristik und Aquakultur. Die Trennung von zu behandelndem Wasser und dem Nitrifikationskreislauf macht es möglich, ein ständig aktives Reinigungssystem vorzuhalten.The method according to the invention is not only suitable for loading treatment of wastewater, but generally for water purification, especially for use in aquaristics and Aquaculture. The separation of water to be treated and the Nitrification cycle makes it possible to have a constantly active Maintain cleaning system.

Claims

1. Process for the treatment of waste water using nitrification and denitrification, characterized in that one

a) withdrawing ammonium from the waste water to be treated by dialysis and feeding it to a separate nitrification circuit,
b) ammonium extracted from the wastewater is converted into nitrite by means of nitrification and, if appropriate, nitrate and nitrogen are formed and
c) the nitrite or nitrate formed is returned to the wastewater in such a way that it is reduced to molecular nitrogen during the transition from the nitrification cycle into the wastewater.

2. Device for performing the method according to claim 1, characterized by a dialysis device ( 2 ) via which the ammonium is removed from the waste water and the nitrification circuit ( 3 ) is fed, the Dialysevor direction ( 2 ) connected to a reactor ( 4 ) is in which the conversion of the ammonium takes place.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the reactor ( 4 ) is designed as a fixed bed reactor and at the outlet ( 5 ) has a retaining device ( 6 ) for microorganisms, from which the microorganisms can be recycled into the fixed bed reactor.

4. The device according to claim 3, characterized in that a hollow fiber membrane filter is provided as a retaining device ( 6 ).

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the nitrification circuit ( 3 ) has a bypass ( 7 ) which binds the lines ( 8 ) and ( 9 ) ver.

6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that a Tangen tial flow-through filtration module with Ultrafiltrationsmem branches based on polysulfone is provided as the dialysis device ( 2 ).